(57)【要約】【課題】小型かつ簡易な構成の角速度センサ、半導体装置及び携帯機器を提供すること。【解決手段】本発明の一態様である角速度センサ１００は、リングオシレータ１１及び検出回路１３を有する。リングオシレータ１１及び検出回路１３は、半導体基板上に形成される。リングオシレータ１１は、インバータＩＶＶ１〜ＩＮＶ３からなる遅延パスを有する。検出回路１３は、リングオシレータ１１の発振周波数の変動量から、回転の角速度を検出する。【選択図】図１
2013007644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された角速度センサであって、
リングオシレータを構成する遅延パスと、
前記リングオシレータの発振周波数の変動量から回転の角速度を検出する検出回路と、を備える、
角速度センサ。
【請求項２】
前記遅延パスは、入力と出力とが相互に接続され、
前記検出回路は、前記変動量に基づいて回転の角速度を算出することを特徴とする、
請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記遅延パスは、１又は従属接続された複数の反転出力回路を備えることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記遅延パスは、前記入力と前記出力との間に従属接続された奇数個のインバータを備えることを特徴とする、
請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記遅延パスは、前記入力と前記出力との間に従属接続された偶数個の差動インバータを備え、
前記遅延パスの前記入力は、正相入力と逆相入力を備え、
前記遅延パスの前記出力は、正相出力と逆相出力を備え、
前記正相入力は前記逆相出力と接続され、前記逆相入力は前記正相出力と接続されることを特徴とする、
請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記遅延パスは、前記入力と前記出力との間に従属接続された奇数個の差動インバータを備え、
前記遅延パスの前記入力は、正相入力と逆相入力を備え、
前記遅延パスの前記出力は、正相出力と逆相出力を備え、
前記正相入力は前記正相出力と接続され、前記逆相入力は前記逆相出力と接続されることを特徴とする、
請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記差動インバータは、入力インピーダンスを入力に接続される線路の特性インピーダンスに整合させるインピーダンスマッチング回路を備えることを特徴とする、
請求項５又は６に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記検出回路は、
前記リングオシレータの回転時の発振周波数をカウントする周波数カウンタと、
前記回転時の発振周波数と前記リングオシレータの無回転時の発振周波数との差を前記変動量として算出する減算器と、
前記変動量角速度に換算する演算器と、を備えることを特徴とする、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記減算器は、前記回転時の発振周波数から前記無回転時の発振周波数を減じることにより、前記変動量を算出することを特徴とする、
請求項８に記載の角速度センサ。
【請求項１０】
前記検出回路は、
前記無回転時の発振周波数が予め記憶されている記憶装置を更に備え、
前記減算器は、前記記憶装置から前記無回転時の発振周波数を読み込むことを特徴とする、
請求項８又は９に記載の角速度センサ。
【請求項１１】
前記検出回路は、
外部からの信号に応じて前記記憶装置に制御信号を出力するタイミング発生回路を更に備え、
前記周波数カウンタは、前記無回転時の発振周波数をカウントし、カウントした前記無回転時の発振周波数を前記記憶装置に出力し、
前記記憶装置は、前記タイミング発生回路からの前記制御信号に応じて前記無回転時の発振周波数を記憶することを特徴とする、
請求項１０に記載の角速度センサ。
【請求項１２】
複数の前記反転出力回路と、
前記複数の前記反転出力回路のそれぞれにおける発振周波数をカウントする複数の前記周波数カウンタと、を備えることを特徴とする、
請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１３】
第１のリングオシレータを構成する第１の前記遅延パスと、
第２のリングオシレータを構成する第２の前記遅延パスと、を備え、
前記第１のリングオシレータ中心軸は、前記第２のリングオシレータの中心軸と同じ方向であり、
前記第２のリングオシレータの信号の伝達方向は、前記第１のリングオシレータの信号の伝達方向とは逆であり、
前記検出回路は、前記第１のリングオシレータの第１の発振周波数と前記第２のリングオシレータの第２の発振周波数との差を、前記変動量として検出することを特徴とする、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１４】
前記第１のリングオシレータと前記第２のリングオシレータとは同心円の位置に配置されていることを特徴とする、
請求項１３に記載の角速度センサ。
【請求項１５】
前記検出回路は、
前記第１の発振周波数をカウントする第１の周波数カウンタと、
前記第２の発振周波数をカウントする第２の周波数カウンタと、
前記第１の発振周波数と前記第２の発振周波数との差を前記変動量として算出する減算器と、
前記変動量を角速度に換算する演算器と、を備えることを特徴とする、
請求項１３又は１４に記載の角速度センサ。
【請求項１６】
前記検出回路は、
前記第１のリングオシレータの信号と前記第２のリングオシレータの信号との前記発振周波数の差に対応する信号を出力するミキサと、
前記ミキサからの前記信号の周波数をカウントすることにより、前記変動量を検出する周波数カウンタと、
前記変動量を角速度に換算する演算器と、を備えることを特徴とする、
請求項１５に記載の角速度センサ。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の前記角速度センサを備えることを特徴とする、
半導体装置。
【請求項１８】
前記角速度センサである第１の角速度センサと、
上面に第１の方向に沿って前記第１の角速度センサの前記遅延パスが形成された前記半導体基板と、
前記半導体基板の上面に対して垂直かつ前記第１の方向に対して垂直な面に沿って形成され、前記第１の角速度センサの前記遅延パスの前記入力と前記出力とを接続する第１の伝送線路と、を更に備えることを特徴とする、
請求項１７に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記角速度センサである第２及び第３の角速度センサと、
前記半導体基板の上面に対して垂直かつ前記第１の方向と直交する第２の方向に対して垂直な面に沿って形成され、前記第２の角速度センサの前記遅延パスの前記入力と前記出力とを接続する第２の伝送線路と、
前記半導体基板の上面に沿って形成され、前記第３の角速度センサの前記遅延パスの前記入力と前記出力とを接続する第３の伝送線路と、を更に備え、
前記第２の角速度センサの前記遅延パスは、前記半導体基板の上面に前記第２の方向に沿って形成され、
前記第３の角速度センサの前記遅延パスは、前記半導体基板の上面に形成されることを特徴とする、
請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２０】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の前記角速度センサと、
前記角速度センサが搭載された半導体チップと、
前記半導体チップが内部に組み込まれた筐体と、
前記筐体に沿って形成され、前記角速度センサの前記遅延パスの前記入力と前記出力とを接続する伝送線路と、を備えることを特徴とする、
携帯機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は角速度センサ、半導体装置及び携帯機器に関し、特に電気的に角速度を検出する角速度センサ、半導体装置及び携帯機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯情報機器の高性能化に伴って、様々なセンサがこれらの携帯情報機器に搭載されるようになっている。特に角速度センサは、デジタルカメラ、ゲーム機のコントローラ及びカーナビなどでは、必需品となっている。これらの機器では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子を用いた角速度センサが用いられる。しかし、ＭＥＭＳの製造は高コストであるため、角速度センサを搭載する機器の高コスト化を招いてしまう。よって、製造コストの削減のため、ＭＥＭＳを用いない角速度センサの実現が望まれている。
【０００３】
一般に、角速度センサは、以下の２つの方式に大別される。まず、回転で発生する機械的な力を検出するＭＥＭＳ方式が挙げられる（特許文献１）また、光の速度を基準として、相対的な位置を検出する光学的方式が挙げられる（特許文献２）。
【０００４】
ＭＥＭＳ方式は、例えば半導体チップ上に角速度センサを搭載される場合に用いられる。この場合、半導体チップ上で機械的な力を検出する素子として、圧電素子が用いられる。しかし、検出可能なレベルの力を発生させるには、ＭＥＭＳ技術により、半導体チップ上に３次元の構造物を形成する必要がある。一般にＭＥＭＳ方式の角速度センサは、コンパクトな構成を実現することができる。
【０００５】
一方、光学的方式では、角速度センサはディスクリートの素子を組み合わせて構成される。この方式では、円環状の光ファイバ中に光を伝搬させ、光ファイバを通過する時間を計測することにより、回転を検出できる。一般に、光学的方式はＭＥＭＳ方式よりも数桁高精度な計測が可能である。
【０００６】
上述のＭＥＭＳ方式及び光学的方式以外のも、例えば振動子を用いた構成を有する角速度センサが提案されている（特許文献３〜５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０６−１７４７３９号公報
【特許文献２】特開平０５−１１８８６２号公報
【特許文献３】特開平２０００−３２１０７６号公報
【特許文献４】特開平１１−１６００７５号公報
【特許文献５】特開平１１−１４２１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、発明者は、一般的な角速度センサには以下に示す問題点が有ることを見出した。ＭＥＭＳ方式の角速度センサは、作製プロセス複雑なため、高コストである。また、角速度センサを搭載する半導体装置のＳｉプロセスとの親和性が悪く、更なるコスト増に繋がる。一方、光学的方式の角速度センサは、光ファイバを設置する空間を確保する必要があるため小型化が難しく、携帯機器への搭載には適さない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様である角速度センサは、半導体基板上に形成された角速度センサであって、リングオシレータを構成する遅延パスと、前記リングオシレータの発振周波数の変動量から回転の角速度を検出する検出回路と、を備えるものである。この角速度センサでは、リングオシレータの中心軸周りの回転の角速度を、リングオシレータの発振周波数の変動として検出できる。これにより、一般的な半導体プロセスで作製する電気回路を用いて、容易に角速度センサを構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小型かつ簡易な構成の角速度センサ、半導体装置及び携帯機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１にかかる角速度センサ１００の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかる角速度センサ１００での信号の伝達を示す模式図である。
【図３】実施の形態２にかかる角速度センサ２００の構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態３にかかる角速度センサ３００の構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態４にかかる角速度センサ４００の構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態４にかかる角速度センサ４００での信号の伝達を示す模式図である。
【図７】実施の形態５にかかる角速度センサ５００の構成を示すブロック図である。
【図８】実施の形態６にかかる半導体装置６００の構成を示す斜視図である。
【図９】実施の形態７にかかる半導体装置７００の構成を示す斜視図である。
【図１０】実施の形態８にかかる角速度センサ８００の構成を示す上面図である。
【図１１】実施の形態９にかかる差動インバータＤＩＮＶ９の構成を示す回路図である。
【図１２】実施の形態１０にかかる差動インバータＤＩＮＶ１０の構成を示す回路図である。
【図１３】実施の形態１１にかかる差動インバータＤＩＮＶ１１の構成を示す回路図である。
【図１４】実施の形態１２にかかる差動インバータＤＩＮＶ１２の構成を示す回路図である。
【図１５】実施の形態１３にかかる差動インバータＤＩＮＶ１３の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。なお、以下で説明する角度センサは、一般にジャイロセンサ又はジャイロスコープと別称される。以下で説明する角速度センサは、物体の動きを検知するために用いられる。例えば、角速度センサは、携帯電話などの携帯機器に搭載され、ユーザが携帯機器を取り扱うことで生じる携帯機器の動きを検知することができる。
【００１３】
実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１にかかる角速度センサ１００について説明する。図１は、実施の形態１にかかる角速度センサ１００の構成を示すブロック図である。本実施の形態においては、角速度センサ１００は、半導体装置に搭載可能な角速度センサとして構成される。角速度センサ１００は、半導体基板上（不図示）に形成されたリングオシレータ１１及び検出回路１３を有する。角速度センサ１００は、リングオシレータ１１の中心軸周りの回転を検出する角速度センサとして構成される。なお、図１ではリングオシレータ１１は円形に配置されているが、必ずしも円形である必要はなく、楕円や多角形もしくは任意の閉じた一筆書きの形状でもよい。
【００１４】
一般に、リングオシレータは、入力と出力とが相互に接続された反転出力の遅延パスを有する。シングルエンドのリングオシレータを構成する場合には、入力信号を反転させた信号を出力する反転出力回路が奇数個従属接続されることにより、遅延パスが構成される。
【００１５】
本実施の形態では、リングオシレータ１１は、伝送線路１１１及びインバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３を有する。伝送線路１１１及びインバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３は、半導体基板上に形成される。伝送線路１１１は、半径ｒのループとして構成される。インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３は、ループ状の伝送線路１１１上に、従属接続される。換言すれば、インバータＩＮＶ１〜３の出力は、それぞれインバータＩＮＶ２、ＩＮＶ３及びＩＮＶ１の入力と接続される。本実施の形態においては、インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３が反転出力回路に相当する。リングオシレータ１１は、中心軸に対して右回りに信号ＳＩＧが伝達される。
【００１６】
検出回路１３は、インバータＩＮＶ１に接続され、インバータＩＮＶ１におけるリングオシレータ１１の発振周波数を検出する回路である。検出回路１３は、タイミング発生回路１３１、減算器１３２、メモリ１３３、演算器１３４及び周波数カウンタＦＣ１を有する。タイミング発生回路１３１、減算器１３２、メモリ１３３、演算器１３４及び周波数カウンタＦＣ１は、リングオシレータ１１と共通の半導体基板上に形成される。
【００１７】
タイミング発生回路１３１は、外部からクロック信号ＣＬＫ及びキャリブレーション信号ＣＡＬが入力される。そして、タイミング発生回路１３１は、周波数カウンタＦＣ１にカウント開始信号ＳＴＡＲＴ及びカウント終了信号ＥＮＤを出力する。
【００１８】
周波数カウンタＦＣ１は、カウント開始信号ＳＴＡＲＴに応じて、リングオシレータ１１の発振周波数をカウントし、カウント終了信号ＥＮＤに応じてカウントを終了する。周波数カウンタＦＣ１は、カウントした発振周波数ｆ１を減算器１３２に出力する。
【００１９】
減算器１３２は、メモリ１３３に予め記憶されている基準周波数ｆ０を読み出し、発振周波数ｆ１から基準周波数ｆ０を減算する。メモリ１３３は記憶装置であり、ＲＡＭなどのデバイスを用いることができる。減算器１３２は、減算結果である周波数変動量Δｆを出力する。演算器１３４は、周波数変動量Δｆから角速度ωを算出し、出力ＯＵＴに出力する。
【００２０】
本実施の形態では、伝送線路１１１にインバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３を挿入して、リングオシレータを構成している。この場合、リングオシレータの入出力インピーダンス（少なくとも入力インピーダンス）は、伝送線路の特性インピーダンスに一致させることが望ましい。入出力のインピーダンスが一致していないと、信号の伝達方向とは反対方向の右回りの反射信号が発生し、誤差が生じるためである。このような反射信号の発生は、インピーダンス整合、特にインバータ入力端でのインピーダンス整合により防止することができる。なお、インバータの出力端で反射が起こるとインバータ内部に信号が戻るが、インバータが十分な駆動力を有していれば、戻り信号による影響は問題にはならない。
【００２１】
リングオシレータ１１での遅延時間に対するインバータの影響について検討する。なおお、リングオシレータでの遅延時間とは、伝送線路のある点を通過した信号が元の点に戻るまでの時間を意味する。すなわち、例えば伝送線路が１回巻きである場合には、信号が伝送線路を１周するのに要する時間が遅延時間となる。また、例えば伝送線路がＮ回巻きである場合には、Ｎ回巻きの伝送線路を一巡するのに要する時間が遅延時間となる。
【００２２】
リングオシレータ１１の伝送線路１１１が１回巻き、半径ｒが１ｍｍ、信号の伝達速度を光速の１／２と仮定した場合、伝送線路１１１での遅延時間は１２５ｐｓ程度となる。このとき、インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３で生じる遅延時間は、電源電圧や温度などによって変動する。これらの遅延時間の変動は、誤差の発生要因となる。よって、インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３での遅延時間は、極力小さいことが望ましい。
【００２３】
なお、リングオシレータ１１の構成は例示に過ぎない。上述のように、インバータにより構成される遅延パスと、遅延パスの入力と出力とを接続する伝送線路とは、同一の半導体チップ上に形成することが可能である。また、遅延パスを半導体チップに形成し、遅延パスの入力と出力とを接続する伝送線路を半導体チップが組み込まれる機器に設けることも可能である。
【００２４】
続いて、角速度センサ１００における角速度の検出原理について説明する。以下では、図１において、ループ状の伝送線路１１１が中心軸に対して角速度ωで左回りに回転する場合について説明する。図２は、実施の形態１にかかる角速度センサ１００での信号の伝達を示す模式図である。角速度センサ１００の点Ａから信号ＳＩＧを入力すると（図２のＩＮ）、信号ＳＩＧは右回りに伝送線路１１１を伝わる。伝送線路１１１は中心軸に対して角速度ωで左回りに回転しているので、信号が伝送線路１１１を伝わる間に、点Ａは点Ｂに移動する。このため、移動した分だけ信号検出のタイミングが早くなる（図２のＤＥＴＥＣＴ）。よって、見かけ上の信号の伝達速度が速くなる。なお、伝送線路１１１上での信号の伝達速度は、光速の１／２程度である。
【００２５】
まず、角速度ωが０である場合、すなわちリングオシレータ１１が無回転時の発振周波数である基準周波数ｆ０を求める。伝送線路１１１の巻き数をＮ、信号の伝達速度をｖ、無回転時に信号が伝送線路１１１の点Ａから出て点Ａに戻ってくるのに要する遅延時間をＴ０とすると、式（１）が成立する。
【数１】
2013007644.tif 000003
【００２６】
式（１）より、遅延時間Ｔ０は、以下の式（２）で示される。
【数２】
2013007644.tif 000004
【００２７】
リングオシレータの発振周期は、遅延時間Ｔ０の２倍であるので、無回転時のリングオシレータ１１の基準周波数ｆ０は、以下の式（３）で表される。なお、インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３における遅延時間は、無視し得る程に小さいものとする。
【数３】
2013007644.tif 000005
【００２８】
続いて、角速度センサ１００が角速度ωで左回りに回転している場合のリングオシレータ１１の発振周波数ｆ１を求める。伝送線路の巻き数をＮ、信号の伝達速度をｖ、左回りに回転している場合に、信号が点Ａから出て点Ｂに到達するのに要する遅延時間をＴ１とすると、式（４）が成立する。
【数４】
2013007644.tif 000006
【００２９】
式（１）より、遅延時間Ｔ１は、以下の式（５）で示される。
【数５】
2013007644.tif 000007
【００３０】
よって、左回り回転時のリングオシレータ１１の発振周波数ｆ１は、以下の式（６）で表される。
【数６】
2013007644.tif 000008
【００３１】
角速度センサ１００は、無回転時及び回転時のリングオシレータ２１の周波数変動量Δｆから、角速度ωを求める。式（３）及び（６）より、周波数変動量Δｆは、以下の式（７）で表される。
【数７】
2013007644.tif 000009
【００３２】
式（７）より、角速度ωは、以下の式（８）で表される。
【数８】
2013007644.tif 000010
【００３３】
従って、例えば巻き数Ｎが１である場合の周波数変動量Δｆが０．５Ｈｚであれば、角速度は２πとなる。この場合、角速度センサ１００が中心軸に対して左回りに毎秒１回転していることを意味する。同様に、例えば巻き数Ｎが１である場合の周波数変動量Δｆが−０．５Ｈｚであれば、角速度は−２πとなる。この場合、角速度センサ１００が中心軸に対して右回りに毎秒１回転していることを意味する。
【００３４】
続いて、角速度センサ１００の動作について具体的に説明する。角速度センサ１００の動作は、キャリブレーション動作と角速度検出動作とに分けられる。キャリブレーション動作では、角速度センサ１００が無回転状態であるときの発振周波数である基準周波数ｆ０を測定し、記憶する。一方、角速度検出動作では、角速度センサ１００が回転状態であるときの発振周波数ｆ１を測定し、周波数変動量Δｆを算出する。そして、周波数変動量Δｆから角速度ωを算出する。以下、キャリブレーション動作及び角速度検出動作について、具体的に説明する。
【００３５】
キャリブレーション動作においては、角速度センサ１００は無回転状態である。まず、タイミング発生回路１３１には、外部からクロック信号ＣＬＫが入力する。タイミング発生回路１３１は、クロック信号ＣＬＫに応じて、周波数カウンタＦＣ１にカウント開始信号ＳＴＡＲＴ及びカウント終了信号ＥＮＤを出力する。例えば、タイミング発生回路１３１は、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりでカウント開始信号ＳＴＡＲＴを出力し、クロック信号ＣＬＫの立ち下がりでカウント終了信号ＥＮＤを出力する。
【００３６】
周波数カウンタＦＣ１は、カウント開始信号ＳＴＡＲＴに応じて、リングオシレータ１１の発振周波数をカウントし、カウント終了信号ＥＮＤに応じてカウントを終了する。周波数カウンタＦＣ１は、カウントした測定周波数ｆｃをメモリ１３３に出力する。
【００３７】
キャリブレーション動作においては、タイミング発生回路１３１には、キャリブレーション信号ＣＡＬが入力する。タイミング発生回路１３１は、キャリブレーション信号ＣＡＬを受け取ると、メモリ１３３にロード信号ＬＯＡＤを出力する。メモリ１３３は、ロード信号ＬＯＡＤを受け取ったタイミングで、測定周波数ｆｃを基準周波数ｆ０として記憶する。基準周波数ｆ０を記憶したところで、キャリブレーション動作が終了する。
【００３８】
続いて、角速度検出動作について説明する。角速度検出動作においては、角速度センサ１００は回転状態である。タイミング発生回路１３１には、外部からクロック信号ＣＬＫが入力する。タイミング発生回路１３１は、クロック信号ＣＬＫに応じて、周波数カウンタＦＣ１にカウント開始信号ＳＴＡＲＴ及びカウント終了信号ＥＮＤを出力する。
【００３９】
周波数カウンタＦＣ１は、カウント開始信号ＳＴＡＲＴに応じて、リングオシレータ１１の発振周波数をカウントし、カウント終了信号ＥＮＤに応じてカウントを終了する。周波数カウンタＦＣ１は、カウントした発振周波数ｆ１を減算器１３２に出力する。
【００４０】
減算器１３２は、メモリ１３３から基準周波数ｆ０を読み込む。そして、発振周波数ｆ１と基準周波数ｆ０から、式（７）で示した周波数変動量Δｆを算出する。算出された周波数変動量Δｆは、演算器１３４へ出力される。演算器１３４は、式（８）に基づく演算を行い、角速度ωを算出する。
【００４１】
以上より、角速度センサ１００は、半導体基板上に形成されたインバータと伝送線路による簡易な電気回路により構成されたリングオシレータを用い、角速度を検出することが可能である。角速度センサ１００は通常の半導体製造プロセスを用いて作製できるので、低コストで作製でき、容易に半導体装置へ搭載することが可能である。よって、角速度センサ１００は、ＭＥＭＳ方式の角速度センサと比べて低コストで作製が可能であり、かつ、光学的方式の角速度センサと比べて小型化が可能である。また、上述のように、角速度センサ１００を利用することにより、低コストな角速度検出方法を実現することが可能である。
【００４２】
実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２にかかる角速度センサ２００について説明する。図３は、実施の形態２にかかる角速度センサ２００の構成を示すブロック図である。本実施の形態においては、角速度センサ２００は、角速度センサ１００と同様に、半導体装置に搭載可能な角速度センサとして構成される。角速度センサ２００は、半導体基板上（不図示）に形成されたリングオシレータ２１及び検出回路２３を有する。角速度センサ２００は、差動型のリングオシレータ２１の中心軸周りの回転を検出する角速度センサとして構成される。
【００４３】
差動型のリングオシレータを構成する場合には、入力信号を反転させた信号を出力する差動インバータが、ループ状に複数個従属接続される。差動インバータは、差動型の反転出力回路に相当する。本実施の形態では、差動インバータを偶数個用いた差動型リングオシレータを例として説明する。
【００４４】
リングオシレータ２１は、伝送線路２１１及び差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４を有する。伝送線路２１１及びインバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４は、半導体基板上に形成される。差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４には、例えば差動増幅回路を用いることができる。差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４のそれぞれは、一方の入力ＩＮＴ１〜ＩＮＴ４に入力する信号の反転信号を、一方の出力ＯＵＴＢ１〜ＯＵＴＢ４から出力する。また、差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４のそれぞれは、他方の入力ＩＮＢ１〜ＩＮＢ４に入力する信号の反転信号を、一方の出力ＯＵＴＴ１〜ＯＵＴＴ４から出力する。
【００４５】
伝送線路２１１は、半径ｒの２重ループとして構成される。伝送線路２１１の２重ループは、十分近接して構成されるので、同じ半径を有するものとして扱うことができる。差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ３の出力ＯＵＴＢ１〜ＯＵＴＢ３は、それぞれ差動インバータＤＩＮＶ２〜ＤＩＮＶ４の入力ＩＮＴ２〜ＩＮＴ４と接続される。差動インバータＤＩＮＶ４の出力ＯＵＴＢ４は、差動インバータＤＩＮＶ１の入力ＩＮＢ１と接続される。差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ３の出力ＯＵＴＴ１〜ＯＵＴＴ３は、それぞれ差動インバータＤＩＮＶ２〜ＤＩＮＶ４の入力ＩＮＢ２〜ＩＮＢ４と接続される。差動インバータＤＩＮＶ４の出力ＯＵＴＴ４は、差動インバータＤＩＮＶ１の入力ＩＮＴ１と接続される。
【００４６】
検出回路２３は、差動インバータＤＩＮＶ１に接続され、差動インバータＤＩＮＶ１における信号の周波数を検出する回路である。検出回路２３は、タイミング発生回路１３１、減算器１３２、メモリ１３３、演算器１３４及び周波数カウンタＦＣ２を有する。タイミング発生回路１３１、減算器１３２、メモリ１３３、演算器１３４及び周波数カウンタＦＣ２は、リングオシレータ２１と共通の半導体基板上に形成される。
【００４７】
周波数カウンタＦＣ２は、差動インバータＤＩＮＶ１からの差動信号である信号ＳＩＧＴ及びＳＩＧＢが入力する。周波数カウンタＦＣ２は、カウント開始信号ＳＴＡＲＴに応じて、リングオシレータ２１の発振周波数をカウントし、カウント終了信号ＥＮＤに応じてカウントを終了する。周波数カウンタＦＣ２は、カウントした測定周波数ｆｃを減算器１３２に出力する。例えば、周波数カウンタＦＣ２は、信号ＳＩＧＴから信号ＳＩＧＢを減算した信号ＳＩＧの周波数をカウントすることにより、リングオシレータ２１の発振周波数をカウントする。
【００４８】
タイミング発生回路１３１、減算器１３２、メモリ１３３及び演算器１３４については、検出回路１３と同様であるので、説明を省略する。また、角速度センサ２００における角速度の算出方法は、角速度センサ１００と同様であるので、説明を省略する。
【００４９】
角速度センサ２００は、差動信号を用いることができるので、実施の形態１にかかる角速度センサ１００よりもノイズ耐性に優れる。よって、角速度センサ２００は、より高精度に角速度を検出することが可能である。また、上述のように、角速度センサ２００を利用することにより、よりノイズ耐性に優れた、高精度の角速度検出方法を実現することが可能である。
【００５０】
実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３にかかる角速度センサ３００について説明する。角速度センサ３００は、実施の形態２にかかる角速度センサ２００の変形例であり、半導体装置に搭載可能な角速度センサとして構成される。図４は、実施の形態３にかかる角速度センサ３００の構成を示すブロック図である。角速度センサ３００は、半導体基板上（不図示）に形成されたリングオシレータ２１及び検出回路３３を有する。リングオシレータ２１は、実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
【００５１】
検出回路３３は、タイミング発生回路１３１、減算器１３２、メモリ１３３、演算器１３４及び周波数カウンタＦＣ３１〜ＦＣ３４を有する。タイミング発生回路１３１、減算器１３２、メモリ１３３、演算器１３４及び周波数カウンタＦＣ３１〜ＦＣ３４は、リングオシレータ２１と共通の半導体基板上に形成される。タイミング発生回路１３１、減算器１３２、メモリ１３３及び演算器１３４は、実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
【００５２】
周波数カウンタＦＣ３１〜ＦＣ３４は、それぞれ差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４に１対１に対応する。周波数カウンタＦＣ３１〜ＦＣ３４は、差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４のそれぞれから信号を受け取り、周波数を測定する。周波数カウンタＦＣ３１〜ＦＣ３４のそれぞれでの周波数測定は、実施の形態２の周波数カウンタＦＣ２と同様である。
【００５３】
周波数カウンタＦＣ３１〜ＦＣ３４は、それぞれ信号検出の位相を、例えば４５°ずつずらすことができる。これは、タイミング検出回路１３１からのカウント開始信号ＳＴＲＡＴ及びカウント終了信号ＥＮＤの供給タイミングにより制御可能である。
【００５４】
角速度センサ３００では、各差動インバータでの信号に基づいて周波数をカウントする。よって、角速度センサ３００の周波数カウントの頻度を、角速度センサ２００よりも多くすることができる。従って、角速度センサ３００は、より細かい時間分解能で角速度を検出することが可能である。また、上述のように、角速度センサ３００を利用することにより、より時間分解能に優れる角速度検出方法を実現することが可能である。
【００５５】
実施の形態４
次に、本発明の実施の形態４にかかる角速度センサ４００について説明する。角速度センサ４００は、２つの差動型リングオシレータを組み合わせた構成を有する。図５は、実施の形態４にかかる角速度センサ４００の構成を示すブロック図である。本実施の形態においては、角速度センサ４００は、実施の形態１〜３と同様に、半導体装置に搭載可能な角速度センサとして構成される。角速度センサ４００は、半導体基板上（不図示）に形成された第１のリングオシレータ４１、第２のリングオシレータ４２及び検出回路４３を有する。
【００５６】
第１のリングオシレータ４１は、実施の形態２にかかる角速度センサ２００のリングオシレータ２１と同様の構成を有する。第１のリングオシレータ４１は、差動インバータＤＩＮＶ４１〜ＤＩＮＶ４４及び伝送線路４１１を有する。差動インバータＤＩＮＶ４１〜ＤＩＮＶ４４及び伝送線路４１１は、半導体基板上に形成される。差動インバータＤＩＮＶ４１〜ＤＩＮＶ４４は、それぞれ角速度センサ２００の差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４に対応する。伝送線路４１１は、角速度センサ２００の伝送線路２１１に対応する。図５に示すように、第１のリングオシレータ４１での信号の伝達方向は左回りである。
【００５７】
第２のリングオシレータ４２は、実施の形態２にかかる角速度センサ２００のリングオシレータ２１と同様の構成を有する。第２のリングオシレータ４２は、差動インバータＤＩＮＶ４５〜ＤＩＮＶ４８及び伝送線路４２１を有する。差動インバータＤＩＮＶ４５〜ＤＩＮＶ４８及び伝送線路４２１は、半導体基板上に形成される。差動インバータＤＩＮＶ４５〜ＤＩＮＶ４８は、それぞれ角速度センサ２００の差動インバータＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４に対応する。伝送線路４２１は、角速度センサ２００の伝送線路２１１に対応する。図５に示すように、第２のリングオシレータ４２での信号の伝達方向は右回りである。
【００５８】
すなわち、第１のリングオシレータ４１と第２のリングオシレータ４２とでは、信号の伝達方向が逆向きである。また、第１のリングオシレータ４１と第２のリングオシレータ４２とは、同じ半径ｒを有する。なお、図５において第１のリングオシレータ４１と第２のリングオシレータ４２は横に並べて配置されているが、両者は同心円の位置に重ねて配置することも可能である。重ねて配置することでリングオシレータによる占有面積を小さくすることができる。
【００５９】
検出回路４３は、タイミング発生回路４３１、減算器４３２、演算器４３４、第１の周波数カウンタＦＣ４１及び第２の周波数カウンタＦＣ４２を有する。タイミング発生回路４３１、減算器４３２、演算器４３４、第１の周波数カウンタＦＣ４１及び第２の周波数カウンタＦＣ４２は、第１のリングオシレータ４１及び第２のリングオシレータ４２と共通の半導体基板上に形成される。タイミング発生回路４３１は、外部からクロック信号ＣＬＫが入力される。そして、タイミング発生回路４３１は、第１の周波数カウンタＦＣ４１及び第２の周波数カウンタＦＣ４２に、カウント開始信号ＳＴＡＲＴ及びカウント終了信号ＥＮＤを出力する。
【００６０】
第１の周波数カウンタＦＣ４１は、差動インバータＤＩＮＶ４１からの差動信号である信号ＳＩＧＴ１及びＳＩＧＢ１が入力する。例えば、第１の周波数カウンタＦＣ４１は、実施の形態における周波数カウンタＦＣ２と同様に、信号ＳＩＧＴ１から信号ＳＩＧＢ１を減算した信号ＳＩＧ１の周波数をカウントすることにより、第１のリングオシレータ４１の発振周波数ｆ１をカウントする。
【００６１】
第２の周波数カウンタＦＣ４２は、差動インバータＤＩＮＶ４５からの差動信号である信号ＳＩＧＴ２及びＳＩＧＢ２が入力する。例えば、第２の周波数カウンタＦＣ４２は、実施の形態における周波数カウンタＦＣ２と同様に、信号ＳＩＧＴ２から信号ＳＩＧＢ２を減算した信号ＳＩＧ２の周波数をカウントすることにより、第２のリングオシレータ４２の発振周波数ｆ２をカウントする。
【００６２】
減算器４３２は、発振周波数ｆ１と発振周波数ｆ２との周波数変動量Δｆを算出する。演算器４３４は、周波数変動量Δｆから、角速度ωを算出する。
【００６３】
続いて、角速度センサ４００における角速度の検出原理について説明する。図６は、実施の形態４にかかる角速度センサ４００での信号の伝達を示す模式図である。第１のリングオシレータ４１の点Ａから信号ＳＩＧを入力すると（図６のＩＮ１）、信号ＳＩＧは右回りに伝送線路４１１を伝わる。伝送線路４１１は中心軸に対して角速度ωで左回りに回転しているので、信号が伝送線路４１１を伝わる間に、点Ａは点Ｂに移動する。このため、移動した分だけ信号検出のタイミングが早くなる（図６のＤＥＴＥＣＴ１）。よって、見かけ上の信号の伝達速度が速くなる。
【００６４】
この場合、伝送線路の巻き数をＮ、信号の伝達速度をｖ、点Ａから出て点Ｂに到達するのに要する遅延時間をＴ１とすると、以下の式（９）が成立する。
【数９】
2013007644.tif 000011
【００６５】
式（９）より、遅延時間Ｔ１は、以下の式（１０）で示される。
【数１０】
2013007644.tif 000012
【００６６】
第１のリングオシレータ４１の発振周期は、遅延時間Ｔ１の２倍であるので、第１のリングオシレータ４１の発振周波数ｆ１は、以下の式（１１）で表される。なお、差動インバータＤＩＮＶ４１〜ＤＩＮＶ４４における遅延時間は、無視し得る程に小さいものとする。
【数１１】
2013007644.tif 000013
【００６７】
一方、第２のリングオシレータ４２の点Ｃから信号ＳＩＧを入力すると（図６のＩＮ２）、信号ＳＩＧは左回りに伝送線路４２１を伝わる。伝送線路４２１は中心軸に対して角速度ωで左回りに回転しているので、信号が伝送線路４２１を伝わる間に、点Ｃは点Ｄに移動する。このため、移動した分だけ信号検出のタイミングが遅くなる（図６のＤＥＴＥＣＴ２）。よって、見かけ上の信号の伝達速度が遅くなる。
【００６８】
この場合、伝送線路の巻き数をＮ、信号の伝達速度をｖ、信号が点Ｃから出て点Ｄに到達するのに要する遅延時間をＴ２とすると、以下の式（１２）が成立する。
【数１２】
2013007644.tif 000014
【００６９】
式（１２）より、遅延時間Ｔ２は、以下の式（１３）で示される。
【数１３】
2013007644.tif 000015
【００７０】
第２のリングオシレータ４２の発振周期は、遅延時間Ｔ２の２倍であるので、第２のリングオシレータ４２の発振周波数ｆ２は、以下の式（１４）で表される。なお、差動インバータＤＩＮＶ４５〜ＤＩＮＶ４８における遅延時間は、無視し得る程に小さいものとする。
【数１４】
2013007644.tif 000016
【００７１】
式（１１）及び（１４）より、発振周波数ｆ１と発振周波数ｆ２との周波数変動量Δｆは、以下の式（５）で表される。
【数１５】
2013007644.tif 000017
【００７２】
式（１５）より、角速度ωは、以下の式（１６）で表される。
【数１６】
2013007644.tif 000018
【００７３】
従って、例えば巻き数Ｎが１である場合の周波数変動量Δｆが１Ｈｚであれば、角速度は２πとなる。この場合、角速度センサ４００が左回りに毎秒１回転していることを意味する。同様に、例えば巻き数Ｎが１である場合の周波数変動量Δｆが−１Ｈｚであれば、角速度は−２πとなる。この場合、角速度センサ４００が右回りに毎秒１回転していることを意味する。
【００７４】
続いて、角速度センサ４００の動作について具体的に説明する。タイミング発生回路４３１には、外部からクロック信号ＣＬＫが入力する。タイミング発生回路４３１は、クロック信号ＣＬＫに応じて、第１の周波数カウンタＦＣ４１及び第２の周波数カウンタＦＣ４２にカウント開始信号ＳＴＡＲＴ及びカウント終了信号ＥＮＤを出力する。例えば、タイミング発生回路４３１は、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりでカウント開始信号ＳＴＡＲＴを出力し、クロック信号ＣＬＫの立ち下がりでカウント終了信号ＥＮＤを出力する。
【００７５】
第１の周波数カウンタＦＣ４１は、カウント開始信号ＳＴＡＲＴに応じて、第１のリングオシレータ４１の発振周波数ｆ１をカウントし、カウント終了信号ＥＮＤに応じてカウントを終了する。第１の周波数カウンタＦＣ４１は、カウントした発振周波数ｆ１を減算器４３２に出力する。
【００７６】
第２の周波数カウンタＦＣ４２は、カウント開始信号ＳＴＡＲＴに応じて、第２のリングオシレータ４２の発振周波数ｆ２をカウントし、カウント終了信号ＥＮＤに応じてカウントを終了する。第２の周波数カウンタＦＣ４２は、カウントした発振周波数ｆ２を減算器４３２に出力する。
【００７７】
減算器４３２は、発振周波数ｆ１及びｆ２から、式（１５）で示した周波数変動量Δｆを算出する。算出された周波数変動量Δｆは、演算器４３４へ出力される。演算器４３４は、式（１６）に基づく演算を行い、角速度ωを算出する。
【００７８】
角速度センサ４００では、半導体基板上に形成された、信号の伝達方向が逆向きの２つのリングオシレータを用いて、角速度を検出することができる。角速度センサ４００は、周波数変動量を増幅して検出するので、より高感度に角速度を検出することが可能である。また、上述のように、角速度センサ４００を利用することにより、より高感度の角速度検出方法を実現することが可能である。
【００７９】
実施の形態５
次に、本発明の実施の形態５にかかる角速度センサ５００について説明する。角速度センサ５００は、実施の形態４にかかる角速度センサ４００の変形例であり、半導体装置に搭載可能な角速度センサとして構成される。図７は、実施の形態５にかかる角速度センサ５００の構成を示すブロック図である。角速度センサ５００は、角速度センサ４００の検出回路４３を検出回路５３に置換した構成を有する。
【００８０】
検出回路５３は、ミキサ５３１、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５３２、演算器５３４及び周波数カウンタＦＣ５を有する。ミキサ５３１、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５３２、演算器５３４及び周波数カウンタＦＣ５は、第１のリングオシレータ４１及び第２のリングオシレータ４２と共通の半導体基板上に形成される。ミキサ５３１は、差動インバータＤＩＮＶ４１から差動信号である信号ＳＩＧＴ１及びＳＩＧＢ１が入力し、差動インバータＤＩＮＶ４５から差動信号である信号ＳＩＧＴ２及びＳＩＧＢ２が入力する。ミキサ５３１は、信号ＳＩＧＴ１及びＳＩＧＢ１から信号ＳＩＧ１を生成し、信号ＳＩＧＴ２及びＳＩＧＢ２から信号ＳＩＧ１を生成する。そして、ミキサ５３１は、信号ＳＩＧ１及び信号ＳＩＧ２の和及び差に対応する信号を出力する。
【００８１】
第１のリングオシレータ４１は左回りに回転しているので、第１のリングオシレータ４１の発振周波数ｆ１は無回転時の基準周波数ｆ０よりも大きくなる。このときの周波数の増加分をΔｆ１とすると、信号ＳＩＧ１の周波数、すなわち第１のリングオシレータ４１の発振周波数ｆ１は、以下の式（１７）で表される。
【数１７】
2013007644.tif 000019
【００８２】
第２のリングオシレータ４２は左回りに回転しているので、第２のリングオシレータ４２の発振周波数は無回転時の基準周波数ｆ０よりも小さくなる。このときの周波数の減少分をΔｆ２とすると、信号ＳＩＧ２の周波数、すなわち第２のリングオシレータ４２の発振周波数ｆ２は、以下の式（１８）で表される。
【数１８】
2013007644.tif 000020
【００８３】
第１のリングオシレータ４１及び第２のリングオシレータ４２は、信号の電圧方向が約向きであることを除き同様の構成を有しているので、Δｆ１＝Δｆ２である。よって、ミキサ５３１が出力する信号ＳＩＧ１及びＳＩＧ２を加算した信号ＳＩＧ５１の周波数ｆ９１は、以下の式（１９）で表される。
【数１９】
2013007644.tif 000021
【００８４】
また、ミキサ５３１が出力する信号ＳＩＧ１及びＳＩＧ２の差に対応する信号ＳＩＧ５２の周波数変動量Δｆは、以下の式（２０）で表される。
【数２０】
2013007644.tif 000022
【００８５】
信号ＳＩＧ５１及びＳＩＧ５２は、低域通過フィルタ５３２に入力する。低域通過フィルタ５３２は、高周波数ｆ９１の信号ＳＩＧ５１をフィルタリングする。よって、周波数カウンタＦＣ５には、周波数変動量Δｆの信号ＳＩＧ５２のみが入力する。
【００８６】
周波数カウンタＦＣ５は、カウント開始信号ＳＴＡＲＴに応じて、信号ＳＩＧ５２の周波数変動量Δｆをカウントし、カウント終了信号ＥＮＤに応じてカウントを終了する。周波数カウンタＦＣ５は、カウントした周波数変動量Δｆを出力する。演算器５３４は、Δｆを用いて、実施の形態４で示した式（１６）に基づく演算を行い、角速度ωを算出する。
【００８７】
角速度センサ５００では、角速度センサ４００と同様に、半導体基板上に形成された、信号の伝達方向が逆向きの２つのリングオシレータを用いて、角速度を検出することができる。角速度センサ５００は、周波数変動量を増幅して検出するので、角速度センサ４００と同様に、より高感度に角速度を検出することが可能である。また、上述のように、角速度センサ５００を利用することにより、より高感度の角速度検出方法を実現することが可能である。
【００８８】
実施の形態６
次に、本発明の実施の形態６にかかる半導体装置６００について説明する。図８は、実施の形態６にかかる半導体装置６００の構成を示す斜視図である。半導体装置６００は、半導体基板Ｓｕｂと、その上に形成された１個の角速度センサ６０１を有する。角速度センサ６０１は、第１の角速度センサに対応する。角速度センサ６０１は、上述の実施の形態１〜５にかかる角速度センサのいずれかを用いることが可能である。但し、図８においては、説明の簡略化のため、リングオシレータのみを表示している。また、リングオシレータの遅延パスを表現するため、ひとつのインバータを表示している。角速度センサ６０１は、半導体基板Ｓｕｂ上のＸ方向の回転軸周りの角速度を検出する。なお、Ｘ方向は第２の方向に対応する。
【００８９】
半導体基板Ｓｕｂ上には、パッドＰ１及びＰ２がＹ方向に並んで形成されている。ここで、Ｙ方向は半導体基板Ｓｕｂ上でＸ方向と直交する方向である。なお、Ｙ方向は第１の方向に対応する。パッドＰ１とパッドＰ２との間には、遅延パスＤＰ１が接続される。パッドＰ１とパッドＰ２は、ボンディングワイヤＷ１で接続される。ボンディングワイヤＷ１は、第１の伝送線路に対応する。ボンディングワイヤＷ１は、半導体基板Ｓｕｂの上方にループ状に形成され、伝送線路として機能する。
【００９０】
ボンディングワイヤＷ１は、半導体基板Ｓｕｂの主面に対して垂直で、かつＹ方向に対して垂直な面Ｓ１に沿って形成される。従って、角速度センサ６０１は、面Ｓ１に沿って形成され、Ｘ方向を中心軸とする角速度センサである。
【００９１】
よって、ボンディングワイヤＷ１を利用して伝送線路を構成することにより、角速度センサを構成する基板に対して平行な歩行を回転軸とする回転の角速度を検出できる１軸角速度センサが搭載された半導体装置６００を構成することができる。また、半導体プロセスを用いて、容易に１軸角速度センサが搭載された半導体装置６００を作製することが可能である。また、上述のように、角速度センサ６００を利用することにより、容易に１軸の角速度を電気的に検出する角速度検出方法を実現することが可能である。
【００９２】
実施の形態７
次に、本発明の実施の形態７にかかる半導体装置７００について説明する。図９は、実施の形態７にかかる半導体装置７００の構成を示す斜視図である。半導体装置７００は、半導体基板Ｓｕｂと、その上に実装された３個の角速度センサ７０１〜７０３を有する。角速度センサ７０１〜７０３は、それぞれ第１〜第３の角速度センサに対応する。角速度センサ７０１は、実施の形態６にかかる角速度センサ６０１と同様であるので、説明を省略する。角速度センサ７０２及び７０３は、上述の実施の形態１〜５にかかる角速度センサのいずれかを用いることが可能である。但し、図９においては、説明の簡略化のため、リングオシレータのみを表示している。また、リングオシレータの遅延パスを表現するため、ひとつのインバータを表示している。
【００９３】
角速度センサ７０２は、半導体基板Ｓｕｂ上のＹ方向の回転軸周りの角速度を検出する。半導体基板Ｓｕｂ上には、パッドＰ３及びＰ４がＸ方向に並んで形成されている。パッドＰ３とパッドＰ４との間には、遅延パスＤＰ２が接続される。パッドＰ３とパッドＰ４は、ボンディングワイヤＷ２で接続される。ボンディングワイヤＷ２は、第２の伝送線路に対応する。ボンディングワイヤＷ２は、半導体基板Ｓｕｂの上方にループ状に形成され、伝送線路として機能する。
【００９４】
ボンディングワイヤＷ２は、半導体基板Ｓｕｂの主面に対して垂直で、かつＹ方向に対して垂直な面Ｓ２に沿って形成される。従って、角速度センサ７０２は、面Ｓ２に沿って形成され、Ｙ方向を中心軸とする角速度センサである。
【００９５】
角速度センサ７０３は、半導体基板Ｓｕｂ上のＺ方向の回転軸周りの角速度を検出する。ここで、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向と直交し、半導体基板Ｓｕｂの主面に対して垂直な方向である。角速度センサ７０３は、遅延パスＤＰ３及び伝送線路ＴＰを有する。伝送線路ＴＰは、第３の伝送線路に対応する。遅延パスＤＰ３は半導体基板Ｓｕｂ上に形成される。伝送線路ＴＰは半導体基板Ｓｕｂの主面と平行な面内に形成され、遅延パスＤＰ３の入力と出力との間を接続する。よって、角速度センサ７０３は、Ｚ方向の回転軸周りの角速度を検出する角速度センサとして機能する。
【００９６】
上述のように、角速度センサ７０１〜７０３は、それぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の軸周りの角速度センサとして機能し、半導体装置７００を構成することができる。
【００９７】
よって、ボンディングワイヤＷ１及びＷ２を利用して伝送線路を構成することにより、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の回転軸周りの角速度を検出する３軸角速度センサが搭載された半導体装置７００を構成することができる。また、半導体プロセスを用いて、容易に３軸角速度センサが搭載された半導体装置７００を作製することが可能である。また、上述のように、角速度センサ７００を利用することにより、容易に３軸の角速度を電気的に検出する角速度検出方法を実現することが可能である。
【００９８】
実施の形態８
次に、本発明の実施の形態８にかかる角速度センサ８００について説明する。図１０は、実施の形態８にかかる角速度センサ８００の構成を示す上面図である。角速度センサ８００は、実施の形態２にかかる角速度センサ２００を携帯機器８１０に組み込んだ例である。角速度センサ８００は、遅延パス８０１、配線８０２及び検出回路２３を有する。検出回路２３については、実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
【００９９】
遅延パス８０１及び検出回路２３は、半導体チップ８２０上に形成される。そして、半導体チップ８２０は、携帯機器８１０に組み込まれる。伝送線路である配線８０２は、遅延パス８０１の入力と出力とを接続している。配線８０２は、半導体チップ８２０外部の筐体８２１上に設けられている。
【０１００】
本構成によれば、角速度センサを半導体チップ内に搭載する場合に比べて、リングオシレータを大きく構成することができる。その結果、リングオシレータの遅延時間を大きくすることができ、より精密な角速度の検出が可能となる。
【０１０１】
実施の形態９
次に、本発明の実施の形態９にかかる差動インバータＤＩＮＶ９について説明する。差動インバータＤＩＮＶ９は、上述の実施の形態２〜８で用いられる差動インバータの具体例である。図１１は、実施の形態９にかかる差動インバータＤＩＮＶ９の構成を示す回路図である。
【０１０２】
差動インバータＤＩＮＶ９は、抵抗Ｒ１及びＲ２、ＮｃｈトランジスタＭ１及びＭ２、電流源ＩＳ１を有する。電源電圧ＶＤＤとトランジスタＭ１のドレインとの間には、抵抗Ｒ１が接続される。電源電圧ＶＤＤとトランジスタＭ２のドレインとの間には、抵抗Ｒ２が接続される。接地電圧とトランジスタＭ１及びＭ２のソースとの間には、電流源ＩＳ１が接続される。トランジスタＭ１のゲートは入力ＩＮＴと接続され入力され、トランジスタＭ２のゲートは入力ＩＮＢと接続される。なお、入力ＩＮＢ及び入力ＩＮＴのそれぞれには、差動信号の一方が入力される。
【０１０３】
トランジスタＭ１及びＭ２は、差動インバータＤＩＮＶ９の出力トランジスタとして機能する。すなわち、トランジスタＭ１のドレインは、出力ＯＵＴＢと接続され、入力ＩＮＴに入力する信号の反転信号を出力する。トランジスタＭ２のドレインは、出力ＯＵＴＴと接続され、入力ＩＮＢに入力する信号の反転信号を出力する。
【０１０４】
よって、差動インバータＤＩＮＶ９を実施の形態２〜８にかかる角速度センサに適用することにより、所望の角速度センサを構成することが可能である。
【０１０５】
実施の形態１０
次に、本発明の実施の形態１０にかかる差動インバータＤＩＮＶ１０について説明する。差動インバータＤＩＮＶ１０は、上述の実施の形態９にかかる差動インバータＤＩＮＶ９の構成転換例である。差動インバータＤＩＮＶ１０は、入力インピーダンスを伝送線路に整合させることが可能である。図１２は、実施の形態１０にかかる差動インバータＤＩＮＶ１０の構成を示す回路図である。
【０１０６】
差動インバータＤＩＮＶ１０は、差動インバータＤＩＮＶ９に、抵抗Ｒ３及びＲ４を追加した構成を有する。抵抗Ｒ３は、ＮｃｈトランジスタＭ１のゲートと接地電圧との間に接続される。抵抗Ｒ４は、ＮｃｈトランジスタＭ２のゲートと接地電圧との間に接続される。
【０１０７】
ここで、入力ＩＮＴ及び入力ＩＮＢに接続される伝送線路の特性インピーダンスの大きさをＺ０とする。この場合、抵抗Ｒ３及びＲ４の抵抗値をＺ０とすることで、入力ＩＮＴ及びＩＮＢを伝送線路にインピーダンス整合させることができる。つまり、抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４は、インピーダンスマッチング回路として機能する。
【０１０８】
以上より、抵抗Ｒ３及びＲ４の抵抗値を適宜調整することにより、差動インバータＤＩＮＶ１０の入力インピーダンスを伝送線路に整合させることが可能である。従って、差動インバータＤＩＮＶ１０を実施の形態２〜８にかかる角速度センサに適用することにより、角速度の検出精度を向上させることが可能である。
【０１０９】
実施の形態１１
次に、本発明の実施の形態１１にかかる差動インバータＤＩＮＶ１１について説明する。差動インバータＤＩＮＶ１１は、上述の実施の形態９にかかる差動インバータＤＩＮＶ９の構成転換例である。差動インバータＤＩＮＶ１１は、入力インピーダンスを伝送線路に整合させることが可能である。図１３は、実施の形態１１にかかる差動インバータＤＩＮＶ１１の構成を示す回路図である。
【０１１０】
差動インバータＤＩＮＶ１１は、差動インバータＤＩＮＶ９に、抵抗Ｒ５を追加した構成を有する。抵抗Ｒ５は、ＮｃｈトランジスタＭ１のゲートとＮｃｈトランジスタＭ２のゲートとの間に接続される。
【０１１１】
ここで、入力ＩＮＴ及び入力ＩＮＢに接続される伝送線路の特性インピーダンスの大きさをＺ０とする。差動インバータＤＩＮＶ１１では、差動で動作する部分の中点は仮想接地とみなせるので、交流成分についてはグラウンド接続と等価とみなせる。つまり、抵抗Ｒ５の中間点はグラウンド接続と等価である。よって、抵抗Ｒ５の抵抗値を伝送線路の特性インピーダンスＺ０の２倍とすることにより、入力ＩＮＴ及びＩＮＢを伝送線路にインピーダンス整合させることができる。つまり、抵抗Ｒ５は、インピーダンスマッチング回路として機能する。
【０１１２】
以上より、抵抗Ｒ５の抵抗値を適宜調整することにより、差動インバータＤＩＮＶ１０の入力インピーダンスを伝送線路に整合させることが可能である。従って、差動インバータＤＩＮＶ１１を実施の形態２〜８にかかる角速度センサに適用することにより、角速度の検出精度を向上させることが可能である。
【０１１３】
実施の形態１２
次に、本発明の実施の形態１２にかかる差動インバータＤＩＮＶ１２について説明する。差動インバータＤＩＮＶ１２は、上述の実施の形態９にかかる差動インバータＤＩＮＶ９の構成転換例である。差動インバータＤＩＮＶ１２は、入力インピーダンスを伝送線路に整合させることが可能である。図１４は、実施の形態１２にかかる差動インバータＤＩＮＶ１２の構成を示す回路図である。
【０１１４】
差動インバータＤＩＮＶ１２は、差動インバータＤＩＮＶ９に、抵抗Ｒ６及びＲ７を追加した構成を有する。抵抗Ｒ６は、ＮｃｈトランジスタＭ１のゲートとドレインとの間に接続される。抵抗Ｒ７は、ＮｃｈトランジスタＭ２のゲートとドレインとの間に接続される。
【０１１５】
ここで、ＮｃｈトランジスタＭ１及びＭ２での電圧ゲインをＡｖとする。抵抗Ｒ６及びＲ７の抵抗値をＲＦとする。この場合、差動インバータＤＩＮＶ１２の入力インピーダンスＺＩＮは、以下の式（２１）で表される。
【数２１】
2013007644.tif 000023
【０１１６】
Ａｖが１よりも十分に大きければ、入力インピーダンスＺＩＮは、以下の式（２２）に示すように近似できる。
【数２２】
2013007644.tif 000024
【０１１７】
伝送線路とのインピーダンス整合を実現するには、入力インピーダンスＺＩＮを伝送線路の特性インピーダンスＺ０と等しくすればよい。よって、式（２２）より、抵抗Ｒ６及び抵抗Ｒ７の抵抗値ＲＦを特性インピーダンスＺ０のＡｖ倍とすることで、インピーダンス整合を実現できる。つまり、抵抗Ｒ６及び抵抗Ｒ７は、インピーダンスマッチング回路として機能する。
【０１１８】
以上より、抵抗Ｒ６及びＲ７の抵抗値を適宜調整することにより、差動インバータＤＩＮＶ１２の入力インピーダンスを伝送線路に整合させることが可能である。従って、差動インバータＤＩＮＶ１２を実施の形態２〜８にかかる角速度センサに適用することにより、角速度の検出精度を向上させることが可能である。
【０１１９】
実施の形態１３
次に、本発明の実施の形態１３にかかる差動インバータＤＩＮＶ１３について説明する。図１５は、実施の形態１３にかかる差動インバータＤＩＮＶ１３の構成を示す回路図である。図１５に示すように、差動インバータＤＩＮＶ１３は、抵抗Ｒ８及びＲ９、インバータＩＮＶ１３１及びＩＮＶ１３２、インダクタＬ１、容量Ｃ１を有する。
【０１２０】
抵抗Ｒ８は、入力ＩＮＴと出力ＯＵＴＴとの間に接続される。抵抗Ｒ９は、入力ＩＮＢと出力ＯＵＴＢとの間に接続される。インバータＩＮＶ１３１の入力は入力ＩＮＴと接続され、インバータＩＮＶ１３１の出力は出力ＯＵＴＢと接続される。インバータＩＮＶ１３２の入力は入力ＩＮＢと接続され、インバータＩＮＶ１３２の出力は出力ＯＵＴＴと接続される。インダクタＬ１と容量Ｃ１とは、出力ＯＵＴＴと出力ＯＵＴＢとの間に並列に接続される。
【０１２１】
差動インバータＤＩＮＶ１３は、ＬＣ共振回路として機能する。差動インバータＤＩＮＶ１３は、入力信号に対して注入同期し、入力信号の周波数で共振する。この際、ＬＣ共振回路の共振周波数をリングオシレータの発振周波数に近くなるように設計すると、インジェクションロック（注入同期）が起こる。その結果、ＬＣ共振器の発振周波数はインバータの発振周波数に一致する。なお、ＬＣ共振回路の共振周波数をリングオシレータの発振周波数に近づけるほど、差動インバータＤＩＮＶ１３での遅延時間が小さくなる。これにより、遅延時間に起因する誤差を抑制し、測定精度を向上させることができる。
【０１２２】
なお、インダクタＬ１は、固定インダクタでも可変インダクタでもよい。容量Ｃ１は、固定容量でも可変容量でもよい。例えば、インダクタＬ１が可変インダクタ、容量Ｃ１が可変容量である場合、よって、入力信号の周波数がある程度変化しても、インダクタＬ１のインダクタンス値及び容量Ｃ１の容量値を調整することにより、入力信号に追従することができる。インダクタＬ１のインダクタンス値及び容量Ｃ１の容量値の調整は、外部に設けられた制御回路（不図示）などから、インダクタＬ１及び容量Ｃ１へ、制御信号を供給することにより実現できる。例えば、外部に設けられた制御回路は入力信号の周波数を検出し、検出結果に基づいて制御信号を生成することが可能である。これにより、差動インバータＤＩＮＶ１３は、例えば最大周波数の１／４倍〜１倍の周波数帯において共振が可能となる。
【０１２３】
従って、差動インバータＤＩＮＶ１２を実施の形態２〜８にかかる角速度センサに適用することにより、角速度の検出精度を向上させることが可能である。
【０１２４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、リングオシレータの数は上述の例に限られない。例えば、実施の形態１ではリングオシレータ１１は３個のインバータを有するが、１又は５以上の任意の奇数個のインバータによりリングオシレータを構成することが可能である。
【０１２５】
実施の形態２では、リングオシレータ２１は４個の差動インバータを有するが、２又は６以上の任意の偶数個の差動インバータによりリングオシレータを構成することが可能である。また、リングオシレータ２１は、奇数個の差動インバータにより構成することが可能である。この際、用いる差動インバータの個数をｍ（ｍは、２以上の整数）とすると、各差動インバータの正相出力が次段の差動インバータの正相入力と接続され、各差動インバータの逆相出力が次段の差動インバータの逆相入力と接続される構成とすればよい。
【符号の説明】
【０１２６】
１１、２１  リングオシレータ
１３、２３、３３、４３、５３  検出回路
４１  第１のリングオシレータ
４２  第２のリングオシレータ
１００、２００，３００、４００、５００、６０１、７０１〜７０３、８００  角速度センサ
６００、７００  半導体装置
１１１、２１１、４１１、４２１  伝送線路
１２１、４３１  タイミング発生回路
ＦＣ１、ＦＣ２、ＦＣ３１〜ＦＣ３４、ＦＣ４１、ＦＣ４２、ＦＣ５  周波数カウンタ
１３２、４３２  減算器
１３３  メモリ
１３４、４３４、５３４  演算器
５３１  ミキサ
５３２  低域通過フィルタ
８０１  遅延パス
８０２  配線
８１０  携帯機器
８２０  半導体チップ
８２１  筐体
Ｃ１  容量
ＣＡＬ  キャリブレーション信号
ＣＬＫ  クロック信号
ＤＩＮＶ１〜ＤＩＮＶ４、ＤＩＮＶ９〜１３、ＤＩＮＶ４１〜ＤＩＮＶ４４、ＤＩＮＶ４５〜ＤＩＮＶ４８  差動インバータ
ＤＰ１〜ＤＰ３  遅延パス
ＥＮＤ    カウント終了信号
ｆ０    基準周波数
ｆ１、ｆ２  発振周波数
ｆ９１  周波数
ｆｃ  測定周波数
ＩＮＢ、ＩＮＢ１〜ＩＮＢ４  入力
ＩＮＴ、ＩＮＴ１〜ＩＮＴ４  入力
ＩＮＶ１〜３、ＩＮＶ１３１、ＩＮＶ１３２  インバータ
ＩＳ１  電流源
Ｌ１  インダクタ
ＬＯＡＤ  ロード信号
Ｍ１、Ｍ２  トランジスタ
ＯＵＴＢ  出力
ＯＵＴＢ、ＯＵＴＢ１〜ＯＵＴＢ４  出力
ＯＵＴＴ、ＯＵＴＴ１〜ＯＵＴＴ４  出力
Ｐ１〜Ｐ４  パッド
Ｒ１〜Ｒ９  抵抗
ＳＩＧ、ＳＩＧ１、ＳＩＧ２、ＳＩＧ５１、ＳＩＧ５２、ＳＩＧＢ、ＳＩＧＢ１、ＳＩＧＢ２、ＳＩＧＴ、ＳＩＧＴ１、ＳＩＧＴ２  信号
ＳＴＡＲＴ  カウント開始信号
Ｓｕｂ  半導体基板
ＴＰ  伝送線路
Ｗ１、Ｗ２  ボンディングワイヤ
【図１】
2013007644.tif 000025
【図２】
2013007644.tif 000026
【図３】
2013007644.tif 000027
【図４】
2013007644.tif 000028
【図５】
2013007644.tif 000029
【図６】
2013007644.tif 000030
【図７】
2013007644.tif 000031
【図８】
2013007644.tif 000032
【図９】
2013007644.tif 000033
【図１０】
2013007644.tif 000034
【図１１】
2013007644.tif 000035
【図１２】
2013007644.tif 000036
【図１３】
2013007644.tif 000037
【図１４】
2013007644.tif 000038
【図１５】
2013007644.tif 000039